運用吉布斯函數分析煤層注水對煤體弱化破碎機理

陳金明

摘 要：為分析研究煤層注水對煤層動力災害防治的影響，本文運用熱力學表面吉布斯函數理論，從微觀和宏觀兩方面分析水對煤體弱化和促進煤體破碎機理。分析結果表明，（1）水附著到煤表面，降低了煤表面吉布斯函數;（2）煤層注水后，水分子不僅降低了煤體內聚力，同時也降低了內摩擦系數，使得煤體整體強度弱化;（3）煤層注水可降低煤體系統表面吉布斯函數，促進煤破碎成更多更小塊體，消耗多余能量，有利于防治煤層動力災害。

關鍵詞：煤層注水;弱化破碎;吉布斯函數;煤層動力災害

中圖分類號：TD823 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）06-0138-02

0 引言

煤層注水作為煤礦放頂煤開采的主要輔助措施和防治煤層動力災害的重要手段，以其操作簡單，防治效果好的特點，得到了廣泛的認可和應用，因此水對于煤性質的影響機理，成為了眾多學者研究的方向。

有學者從理論上研究了超前開采工作面注入煤體的水在裂隙和孔隙中的滲透運動和水對煤體的弱化機理，從試驗上得出了注水壓力對煤體變形模量的弱化規律和注水含水率對煤的抗壓強度的弱化規律[1]。另外，還有學者從了煤的破碎[2-6]，煤孔隙與注水的關系[7，8]，裂隙水壓力對煤巖體細觀結構破[9]等方面著手分析水對煤體的作用。

上述研究成果對煤礦安全生產起到了重要的指導作用，但目前對煤層注水防治煤層動力災害機理的研究較少。本文運用熱力學表面吉布斯函數理論，從微觀和宏觀兩方面分析注水對煤體的弱化和破碎影響，得到煤層注水防治煤層動力災害機理。

1 煤巖吉布斯函數機理分析

1.1煤體壓裂破裂特征

煤體本身或多或少都有大小不一，原生或次生裂隙。當其受到外力作用后，隨著應變遞增，煤體破壞經歷損傷弱化、準線性、損傷開始演化和穩定發展、損傷加速發展和峰后軟化5個階段[10]。從外表上看，煤體表面原有裂隙經歷了伸長、分叉、貫通三個過程，期間伴隨有原先并不能觀察到的新裂隙的產生、伸長、分叉、貫通，由于裂隙的發展，煤表面被分割，將形成碎塊崩離，甚至有個別的彈射出來。碎塊崩離和彈射的發生，表明煤層動力災害的產生。

1.2表面功及表面吉布斯函數

煤體表面和煤體內部分子應力場相差較大，具體表現在處于煤體中分子周圍受到其他分子作用，形成了一個球形對稱結構，每個分子在各個方向上均會產生相互抵消作用力;但是在煤體表面的分子，它所形成的結構都不對稱，因此所受作用力無法相互抵消，該分子需要外部能量來形成穩定結構。從宏觀來說，就是需要更多外部能量。從上可知，煤體表面分子具有比內部分子更多的能量，這也可以理解成，外力對煤體作用，使得煤體產生裂隙破壞，從而對煤體內部分子提供了額外能量，使其成煤體表面分子。

理論上可表述為恒定溫度和壓力條件下，煤體表面積dA時，所需外力做功為：

式中，σ為表面功系數，即煤體增加單位表面積時，外部對煤體做功，J/m2。

將上述結論代入熱力學第二定律可知，恒定溫度和壓力條件下，煤體分子系統的吉布斯函數的變化與非體積功相同，可表述為：

通過上述分析，可知，恒定溫度和壓力條件下，σ也相當于增加單位煤體表面積過程中，煤體分子系統所增加的吉布斯函數，可稱為比表面吉布斯函數[11]。

1.3水附著煤使煤系統的表面吉布斯函數降低的機理

煤體對水分子的吸附作用，主要是煤分子與水分子間存在相互吸引作用力，作用力包括分子間力和氫鍵[12]。從分子微觀學上看，煤體分子對水分子的吸附作用一般屬于多層吸附結構。第一層吸附結構是距離煤分子最近的水分子所形成，他們之間的作用力以氫鍵作用為主，對第一層水分子后方分子的吸附力主要是分子間作用力。

在化學上來說，氫鍵是一種類似共價鍵的化學鍵，具有飽和性和方向性。煤體分子表面存在眾多極性懸鍵，這就為與水分子形成氫鍵提供了條件。但是，由于氫鍵所具有的的飽和性和方向性，使得煤體表面分子只能與第一層水分子有較大作用力，對之外其他水分子的作用小很多。同時，還應了解的是，水分子和煤分子形成氫鍵的過程還會釋放能力。

煤體分子與其他層水分子間的分子建立，有兩種，一種是由色散力引起的物體間相互作用力，另一種是由偶極子——誘導偶極子引起的物體相互作用力，這種力場的形成也會釋放能量。

煤層進行注水后，由于煤表面分子和水分子相互吸引，煤表面分子和水分子兩者間形成大量氫鍵和分子力，釋放大量能量，另一方面，煤層注水使得大量水分子擠壓附著在煤表面分子間，從而加大煤表面分子間距離，使得煤表面分子勢能加大，相互吸引力減弱，表面分子能量降低。因此，煤層注水，會使煤體表面能降低，即表面吉布斯函數降低。

2 煤體弱化及破碎機理

2.1煤體弱化機理

眾所周知，煤是一種由多種原子基團組成的大分子，具有三維交聯孔洞網絡結構，分子間通過縮聚芳香稠環，氫化芳香稠環等橋鍵連接而成。

煤層注水后，水分子作為一個小分子結構，在煤分子的吸引作用下，進入煤體內，甚至存在于煤體大分子間。由于水分子的存在，使得煤分子間作用力降低，同時水分子定向分布在煤體各類孔隙和裂隙表面，水分子非極性碳氫鍵有朝外特性，由于水分子的隔絕作用，使煤分子顆粒間不易接觸，從而使得煤體表面光滑，且易于產生滑移。因此可認為，水分子不僅降低了煤體內聚力，同時也降低了內摩擦系數，使得煤體整體弱化。

2.2煤層注水防治煤層動力災害機理

煤體在外部應力作用下破碎，從某種意義上來說，就是在外部提供能量后增加了系統表面吉布斯函數。

根據熱力學經典理論，一定溫度和壓力條件下，表面吉布斯函數有自我降低的趨勢，即從高表面吉布斯函數向低表面吉布斯函數發展。煤層未注水，特別是煤體本身處于干燥條件下，提供外力進行煤體破碎，煤體只能通過降低自身表面積來達成降低整體表面吉布斯函數的目的，而降低煤體表面積的宏觀表現就是，煤體破碎成眾多塊徑較大的分離塊體，這些塊體還可能產生較大動能來消耗掉外力做功，這就產生了沖擊地壓或煤與瓦斯突出。

煤層注水后，水分子弱化了煤體，降低了煤體分子系統的表面吉布斯函數。與未注水煤層相比，消耗相同能力后，系統表面吉布斯函數越小，最終煤體系統的吉布斯函數也越小。在宏觀上表現為，當外力作用在煤體上，注水煤體將破碎成較多塊徑相對較小的分離塊體，這些塊體由于數量比不注水煤層多，消耗的能量更多，產生的動能較小，這就在一定程度上起到減弱或消除沖擊地壓或煤與瓦斯突出的作用。

從上可知，煤層注水可降低煤體系統表面吉布斯函數，導致煤體破碎更充分。但煤體自身系統表面吉布斯函數還有從高向低的變化特性。因此，煤層注水后，可使得煤體在受到外力作用后，破碎成較多較小塊體，消耗大量能量;另一方面，由于煤體有保持破碎成條件允許最大塊度特性。

因此，通過控制煤層注水，提高煤層含水率可在一定程度上，防治煤層動力災害。

3 結語

（1）水附著到煤表面，能降低了煤表面吉布斯函數;

（2）煤層注水后，水分子不僅降低了煤體內聚力，同時也降低了內摩擦系數，使得煤體整體強度弱化;

（3）煤層注水可降低煤體系統表面吉布斯函數，促進煤破碎成更多更小塊體，消耗多余能量，有利于防治煤層動力災害。

參考文獻

[1] 康天合，張建平，白世偉.綜放開采預注水弱化頂煤的理論研究及其工程應用[J].巖石力學與工程學報，2004，23（15）：2615-2621.

[2] 宋選民，顧鐵鳳.受載煤體破碎塊度分布的實驗研究[J].煤炭學報，2000，25（z1）：88-91.

[3] 靳鐘銘，弓培林，靳文學.煤體壓裂特性研究[J].巖石力學與工程學報，2002，21（1）：70-72.

[4] 關伶俐，田洪銘，陳衛忠.煤巖力學特性及其工程應用研究[J].巖土力學，2009，30（12）：3715-3719+3726.

[5] 魏錦平，李勝利，靳鐘銘.綜放采場頂煤壓裂機理的實驗研究[J].巖石力學與工程學報，2002，21（8）：1178-1182.

[6] 趙伏軍，李夕兵，胡柳青.巷道放頂煤法的頂煤破碎機理研究[J].巖石力學與工程學報，2002，21（z2）：2309-2313.

[7] 秦躍平，傅貴.煤孔隙分形特性及其吸水性能的研究[J].煤炭學報，2000，25（1）：55-59.

[8] 秦文貴，張延松.煤孔隙分布與煤層注水增量的關系[J].煤炭學報，2000，25（5）：514-517.

[9] 黃炳香，程慶迎，劉長友.裂隙水壓力對煤巖體細觀結構破壞分析[J].湖南科技大學學報（自然科學版），2009，24（1）：1-4.

[10] 代高飛，尹光志，皮文麗.壓縮荷載下煤巖損傷演化規律細觀實驗研究[J].同濟大學學報（自然科學版），2004，32（5）：591-595.

[11] 馬青蘭.物理化學[M].徐州：中國礦業大學出版社，2002.

[12] 聶百勝，何學秋，王恩元，等.煤吸附水的微觀機理[J].中國礦業大學學報，2004，33（4）：379-383.